摘要： 針對面陣CCD KAI-1020 在高幀頻工作模式下的驅動要求， 以FPGA 作為控制單元及時序發(fā)生器，完成CCD 高幀頻工作模式下的硬件及軟件設計，仿真驗證了驅動時序的正確性，完成了硬件電路的調試與試驗。成像實驗表明，該設計滿足了CCD KAI-1020 在雙端口輸出模式下成像的各種驅動控制功能，圖像分辨率為1 000×1 000，幀頻達到48 f/s。

電荷耦合器件CCD （Charge Coupled Device) 自20 世紀70 年代由貝爾實驗室發(fā)明以來， 因其分辨率高、測量誤差小等優(yōu)點， 被廣泛應用于各種成像儀器中。CCD 按照成像維數分為線陣與面陣兩種類型。線陣CCD 因其本身只有一維， 需要進行推掃才能形成二維圖像， 主要用于光譜分析與圖像掃描等領域； 面陣CCD 因其本身就能形成二維圖像， 而被廣泛應用于數碼相機、攝像機及工業(yè)機器人等領域[ 1]。

面陣CCD 按電荷讀出方式又分為全幀轉移、幀轉移、行間轉移三種， 其中行間轉移CCD 因其不需要機械快門、讀出速度最快等優(yōu)點， 一直被作為高幀頻CCD 相機的首選。

CCD 的驅動時序產生方法主要有以下四種： 直接數字電路（IC） 驅動法、單片機驅動法、EPROM 驅動法、可編程邏輯器件法等[ 2]。近些年來， 隨著可編程器件的高速發(fā)展，FPGA 因其高速并行處理方式， 極強的編程靈活性， 十分適合用來產生CCD 的驅動時序， 加之其能很好地避免其他驅動方式的弊端， 因而已經成為CCD 驅動電路的首選。

本文針對功耗體積要求嚴格的高幀頻高分辨率CCD 相機應用場合， 選用FPGA 作為高速行間轉移CCD的驅動控制， 在減小系統體積， 降低系統功耗的同時， 完成控制任務。

1 KAI-1020 結構及特點

KAI -1020 是美國柯達公司生產的行間轉移型面陣CCD， 總像元數1 028 （H）×1 008 （V） ， 其中有效像元1 000(H)×1 000(V) ， 像元尺寸7.4 μm(V)×7.4 μm(H) ， 有效成像面積10.5 mm[ 2-3]。

KAI -1020 具有逐行讀出和交錯讀出（ 只讀取CCD 1 000 行成像有效單元中的500 行） 兩種方式， 最大像元讀出速率40 MHz ， 可以選擇單通道或雙通道讀出。采用逐行掃描， 雙通道讀出方式， 圖像分辨率為1 000 （H）×1 000 （V） ， 幀頻可達48 幀/秒， 本文設計即為完成此工作模式。

為保證KAI -1020 在高幀頻工作模式下的信號質量， 其內部集成了相關雙采樣電路。成像區(qū)在感光后， 將光信號轉化為電荷包， 在驅動信號的控制下， 將電荷包轉移到鄰近的存儲區(qū)， 依次將電荷信號轉移、讀出， 送入內部集成的CDS 電路采樣后輸出。

2 硬件電路設計

KAI-1020 工作時所需驅動信號較為復雜， 需要6 種偏置電壓， 電壓加載順序也有一定要求。將驅動電路分為電壓產生、FPGA 控制、時序驅動器3 個模塊。電壓產生模塊用來產生FPGA 及CCD 工作需要的各種偏置電壓；FPGA 控制模塊分為電壓控制模塊和時序發(fā)生模塊，分別用來控制CCD 電壓上電順序和CCD 驅動時序產生； 時序驅動器用來匹配FPGA 端口電壓與CCD 驅動信號電壓。驅動硬件結構如圖1 所示。

2.1 電壓產生模塊
CCD 作為高精度的圖像傳感器， 對電源電壓穩(wěn)定性及電路噪聲水平要求較高。DC/DC 電源效率高， 但紋波大。LDO 電源穩(wěn)定性好， 但壓差大時發(fā)熱量也大， 會增加系統功耗及電路噪聲[ 4]。

KAI -1020 因內部結構要求， 需要進行三步上電，FPGA 作為控制單元，+3.3 V、+2.5 V、+1.2 V 的工作電壓需要隨系統上電加載。

相機母線電壓為+12 V， 為保證CCD 正常工作， 降低系統功耗， 減少CCD 高速工作時電壓紋波及電路噪聲造成的影響， 電壓產生模塊采用先大壓差DC/DC 變換，再小壓差線性穩(wěn)壓， 由FPGA 控制上電順序的方案。電源模塊電壓變換過程如圖2 所示。

2.2 FPGA 控制模塊
為相機小型化考慮，FPGA 選用Xilinx 公司Spartan-3AN 系列中的XC3S400AN。XC3S400AN 資源豐富， 擁有40 萬門電路和多達311 個用戶I/O， 內部集成了4 Mbit Flash 作為程序存儲區(qū)， 不需要外接配置芯片， 十分適合對空間敏感和安全性要求較高的場合。

相機加電后，FPGA 完成配置， 進入工作狀態(tài)， 接到上電命令后， 通過控制穩(wěn)壓器的使能端控制電壓加載，完成CCD 三步上電。FPGA 控制流程如圖3 所示。

-9 V 電壓加載后，V1MID 與V1MID（-1.2 V） 通過對地串聯的兩個二極管導通形成。

2.3 時序驅動模塊
XC3S400AN 每個BANK 都可配置管腳電壓為LVTTL或LVCOMS ， 但CCD 驅動時序電壓為0 ～5 V， 所以需要在FPGA 與CCD 之間增加電平轉換芯片。

TI 公司的SN74LV8T245 是一款8 bit 轉換電壓可調、輸出三態(tài)、雙供電總線收發(fā)器， 其內部分為AB 兩路， 由DIR 控制數據流向為A 到B 或B 到A， 兩路電壓均可配置為1.65 V～5.5 V。將DIR 配置為1， 數據流向為A 到B，A 路接+3.3 V 電壓， 接口與FPGA 驅動信號連接，B路接+5 V 電壓， 接口與CCD 驅動電容連接， 完成FPGA與CCD 驅動電壓的匹配。

3 軟件設計

3.1 時序分析
KAI-1020 工作在逐行掃描、雙通道讀出模式下， 主要驅動信號有V2B、V2A、V1、H1、H2 、SH、R、SA、SB、T。V2B 為幀轉移信號， 下降沿時，CCD 將感光單元中的電荷包轉移到存儲單元中；V2A、V1 為垂直轉移信號， 負責將存儲單元中每一行的電荷包轉移到讀出寄存器中；H1、H2 為水平轉移信號， 負責將每一行中的每個像元從寄存器中讀出；SH 為電子快門信號，SH 的一個高脈沖可以將CCD 之前曝光積累的電荷清零， 電荷的積累時間變?yōu)閺腟H 的下降沿到V2B 的下降沿， 從而實現控制曝光時間；R、SA、SB、T 為相關雙采樣的控制時序，R與T 同相， 與SA、SB 有一定的相位差， 其具體時序關系如圖4 所示。

KAI-1020 驅動信號中， 水平轉移信號與CDS 信號頻率最高， 為40 MHz ， 占空比分別為50%和33.33%， 這幾個信號之間存在一定的相位關系， 通過更高頻的信號分頻實現。相機的工作時鐘為30 MHz ， 經FPGA 的DCM進行8 倍頻后， 再將信號六分頻并進行移位得到不同相位的40 MHz 信號。對于垂直轉移信號及電子快門等低頻信號， 通過對40 MHz 的信號計數分頻實現。實現過程如圖5 所示。

3.2 邏輯設計
KAI-1020 工作在雙端口讀出模式時， 左右兩面的數據分左右兩路讀出。讀出寄存器中， 左右兩路各有8個空像元， 水平轉移時序需要重復522 次， 才能將一行圖像數據從左右兩路讀出。為保證讀出行的電荷不對下一行電荷造成影響， 一般水平轉移序列至少重復523次， 垂直轉移時序需要重復1 008 次， 將1 008 行數據依次從存儲區(qū)轉移到讀出寄存器。

將驅動時序通過狀態(tài)機實現， 幀轉移由狀態(tài)s0 表示， 垂直轉移和水平轉移由s1 表示， 通過計數器計數完成延時要求， 狀態(tài)轉換過程如圖6 所示。

在垂直轉移信號變化時， 水平轉移信號H1、H2 需要分別保持高電平和低電平。在狀態(tài)s1 中， 設置信號H_en ， 通過將H_en 與40 MHz 信號進行“ 或” 運算， 得到H1 信號， 將H_en 與40 MHz 信號“ 或” 運算后再取反， 得到H2 信號。

電子快門信號SH 需要加載于某行電荷信號讀取完成后，V1 與V2A 信號上升沿之前，H1、H2 在此期間需要保持變化。當計數器cnt3 計到曝光所需的行數T 后，狀態(tài)機跳轉到狀態(tài)s2 ， 完成SH 信號延時后跳轉回s1 ，實現電子快門1-1007 級可調。

3.3 邏輯仿真
通過時序分析， 采用VHDL 語言進行程序設計， 在Xilinx 公司的集成開發(fā)環(huán)境ISE 10.1 中編寫源代碼， 并進行仿真， 仿真波形如圖7 所示。

圖7(a) 為整體仿真波形的一部分，V2B、V2A、V1 在幀轉移階段完成后，V2B 保持低電平，V2A、V1 開始重復； 圖7(b) 為水平轉移信號與相關雙采樣信號的部分仿真波形，H1、H2 反相，R、SA、SB、T 相位關系與時序要求相同，當V2A、V1 變化時，H1 為高電平，H2 為低電平。

4 實驗結果

在仿真通過后，對VHDL 源代碼進行綜合和實現， 生成可編程文件， 將該文件下載到FPGA 后， 控制CCD 產生圖像信號， 經過后端處理電路， 將模擬圖像信號轉化為數字信號， 并對兩路輸出的圖像信號進行拼接， 形成一行圖像， 通過高速串行LVDS 信號將圖像信號發(fā)送至數據接收端， 解碼LVDS 信號， 通過采集卡在上位機形成圖像。經實際成像測試，CCD 在設計的軟硬件驅動下，幀頻可達48 幀/秒， 圖像分辨率為1 000 （H）×1 000 （V） ，并能通過電子快門對曝光時間進行1-1007 級調節(jié)， 靈活控制圖像亮度。

使用FPGA 作為CCD KAI-1020 的控制單元及時序發(fā)生器， 可以十分方便地產生各種控制及驅動信號， 完成CCD 上電順序控制及復雜驅動時序產生， 其強大的可編程和并行處理能力也十分利于系統擴展和升級。